专利名称：利用共轭光路量测二维位移量的方法
技术领域：
本发明涉及长度测量仪器光学系统设计领域，特别有关于将远心系统(telecentric system)的量测原理和波前重现(wavefrontreconstruction)的光学原理结合而形成一种共轭光路，并利用此共轭光路，实现具有高允许偏差的二维运动相对位移量的量测。
美国专利案号5,204,524公开了一种二维位移量测装置。然而，在解析度与精密度方面，由于几何光学的限制，仍无法有效提高。
美国专利案号5,424,833，公开了另一种二维位移量测装置。然而，于此装置中，光束经过三次绕射，讯号强度相对于光源强度的效率低，其系统对于元件的组装精度和制作品质的要求相对提高。
美国专利案号5,530,543，公开了另一种应用单光栅的二维位移量测装置。然而，该装置不具有误差自我补偿的功能，应用中会有输出讯号不易稳定的问题。
本发明的目的是这样实现的一种利用共轭光路量测二维位移量的方法，包括下列步骤自一光源发射一第一入射光；上述第一入射光入射一绕射单元后，产生多束第一绕射光；选择两束同阶的上述第一绕射光，此两束第一绕射光与上述第一入射光轴对称；藉由波前重现光学组件，将上述的两束第一绕射光分别循原光路径再入射上述绕射单元，而形成两组共轭光路；上述第一绕射光循原光路径再入射上述绕射单元后，产生多束第二绕射光；选择两对同阶的上述第二绕射光，其中第一对第二绕射光与上述第一入射光轴对称，第二对第二绕射光亦与上述第一入射光轴对称；上述第一对第二绕射光藉由一干涉光学组件产生一第一干涉光，第二对第二绕射光藉由另一干涉光学组件产生一第二干涉光上述第一与第二干涉光，分别经由光干涉解相技术处理，获得上述绕射单元于二维方向的两个线性独立位移量。以及上述第一入射光是一准直光，且选择自下列所组成族群的一种一线偏振同调光、一圆偏振同调光、一椭圆偏振同调光、一线偏振部分同调光、一圆偏振部分同调光及一椭圆偏振部分同调光；上述光源更包括有一准直透镜；上述第一入射光是以近乎上述绕射单元的法线方向入射上述绕射单元；上述绕射单元是形成于选自下列所组成族群之一的表面上一平面基底、一柱面基底或一球面基底；上述绕射单元是一反射式绕射单元；
上述绕射单元是一穿透式绕射单元；上述波前重现光学组件是选择自下列组成族群的一种包括一准直透镜和一反射镜的组件；一渐变折射率透镜，其中上述渐变折射率透镜的一端面具有一反射层；以及一角隅棱镜；上述反射镜设置于上述准直透镜的一焦点上，且上述绕射单元设置于上述准直透镜的另一焦点上。或是一种利用共轭光路量测二维位移量的方法，包括下列步骤自一光源发射一第一入射光；上述第一入射光入射一绕射单元后，产生多束第一绕射光；选择四束同阶的上述第一绕射光，此四束第一绕射光与上述第一入射光轴对称；藉由波前重现光学组件，将上述的四束第一绕射光分别循原光路径再入射上述绕射单元，而形成四组共轭光路；上述第一绕射光循原光路径再入射上述绕射单元后，产生多束第二绕射光；选择至少两束同阶的上述第二绕射光，分别经由光干涉解相技术处理，获得上述绕射单元于二维方向的两个线性独立位移量。
上述第一入射光是一准直光，且选择自下列所组成族群的一种一线偏振同调光、一圆偏振同调光、一椭圆偏振同调光、一线偏振部分同调光、一圆偏振部分同调光及一椭圆偏振部分同调光；上述光源更包括有一准直透镜；上述第一入射光是以近乎上述绕射单元的法线方向入射上述绕射单元；上述绕射单元是形成于选自下列所组成族群之一的表面上一平面基底、一柱面基底及一球面基底；上述绕射单元是一反射式绕射单元；上述绕射单元是一穿透式绕射单元；
其中上述波前重现光学组件是选择自下列组成族群的一种包含一准直透镜和一反射镜的组件；一渐变折射率透镜，其中上述渐变折射率透镜的一端面具有一反射层；以及一角隅棱镜；上述反射镜设置于上述准直透镜的一焦点上，且上述绕射单元设置于上述准直透镜的另一焦点上。
由于本发明的步骤包括由来自一光源的一光束，入射一绕射单元后，产生至少两束第一绕射光；接着，上述第一绕射光经由波前重现光学组件(wavefront reconstruction optics)作用后，循原光路折回，再入射于上述绕射单元，产生至少两束第二绕射光；接着，上述第二绕射光经由干涉光学组件作用后，产生至少两束干涉光；接着，上述干涉光经由光干涉解相技术处理后，即可获得上述绕射单元在二维相对运动中的两个线性独立方向上的位移量。
本发明的优点之一，在于本发明对于光学元件间的装配精度、光学元件与绕射单元间的对位误差，以及绕射单元本身的制作缺陷，具有高度的允许偏差。
本发明的另一优点，在于因为具有高度的允许误差，所以可以有效降低元件的制造和组装成本，并且可以进一步提高产品的质量，达到产品普及化的目的。
图7是显示绕射单元形成于一球面基底上的概要图式；图8是概要地显示具有绕射单元的反射基底，用以量测此反射基底的二维位移量的一种型式；图9是概要地显示具有绕射单元的透明基底，用以量测此透明基底的二维位移量的另一种型式
图10至12是概要显示构成波前重现光学组件的各种型式。
图号说明10反射式平面基板 10’穿透式平面基板20柱面基板30球面基板41、42、43、44波前重现光学组件51渐变折射率透镜51a端面 51b反射层61角隅棱镜101绕射单元 101’穿透式绕射单元201光源301、311、312、313、314准直透镜401、402、403、404、411、412、413、414反射镜501、502偏振光束分光器901第一入射光911、912、913、914同阶的第一绕射光921、922、923、924同阶的第二绕射光941、942干涉光 1011入射部位4011、4021、4031、4041反射部位φ第一绕射角φ’第二绕射光夹角具体实施方式
第一实施例图1是概要显示本发明第一实施例的前段光路。参考图1，自一光源201发射一准直的第一入射光，或经由一准直透镜301产生一准直的第一入射光。接着，上述第一入射光901以大体垂直于一绕射单元101，入射上述绕射单元101的一入射部位1011。
如图1所示，于本发明的第一实施例中，绕射单元101是形成于一反射式平面基板10上，具有光栅间距4μm、振辐高度0.2μm的二维弦波绕射光栅。于X-Y座标平面上，绕射单元101具有转换上述第一入射光901的转换函数f(x，y)，其可以表示为f(x，y)＝[exp(i2丌kx)+exp(-i2丌kx)]×[exp(i2丌ky)+exp(-i2丌ky)]其中，K是一行进常数(propagation constant)。
接着，如图1所示，上述第一入射光901经由上述绕射单元101反射并转换后，形成四束同阶的第一绕射光911、912、913、914。此四束第一绕射光911、912、913、914与上述第一入射光901间的夹角皆相等，此夹角为第一绕射角φ，且此等第一绕射光911、912、913、914在X-Y座标平面上的投影分别指向(1，1)、(-1，1)、(-1，-1)、(1，-1)四个方向。当上述绕射单元101和第一入射光901之间，于X--Y座标平面上产生二维相对运动时，由于多普勒频移效应(Doppler Effect)，此等第一绕射光911、912、913、914将分别载有和该二维运动相对位移量相关的相位偏移讯号，其相位偏移量可以分别表示为+Φx+Φy、-Φx+Φy、-Φx-Φy、+Φx-Φy。
接着，参考图1，选取两束第一绕射光911和913，藉由对应的两组波前重现光学组件41和43的作用，分别循原光路径折回并再次入射上述绕射单元101的入射部位1011上。在第一实施例中，两组波前重现光学组件41和43是分别由准直透镜311、313和反射镜401、403所组成。
如图1所示，将准直透镜311、313的光轴置于上述第一绕射光911和913的光路径上，反射镜401、403则垂直于上述准直透镜的光轴，并且将上述入射部位1011与反射镜401的反射部位4011分别置于准直透镜311的第一焦点与第二焦点上，将上述入射部位1011与反射镜403的反射部位4031分别置于准直透镜313的第一焦点与第二焦点上，而形成两组共轭光路。
图2是概要显示本发明第一实施例的后段光路。如图2所示，第一绕射光911与913循原光路径折回并再次入射绕射单元101后，经绕射单元101反射及转换，会形成多束第二绕射光。其中的四束同阶的第二绕射光921、922、923、924与第一入射光901间的夹角皆相等，此夹角为第二绕射光夹角φ’，并且在X-Y座标平面上的投影分别指向+X、+Y、-X、-Y四个方向。其中的第二绕射光921和922是由第一绕射光913经绕射单元101反射及转换而得，第二绕射光923和924是由第一绕射光911经绕射单元101反射及转换而得。
当上述二维相对运动发生时，由于多普勒频移效应，由第一绕射光913经绕射单元101反射及转换后所形成的第二绕射光921和922将载有和该二维运动相对位移量相关的相位偏移讯号，其相位偏移量可以表示为-2Φy和-2ΦX；同理，由第一绕射光911经绕射单元101反射及转换后所形成的第二绕射光923和924将载有和该二维运动相对位移量相关的相位偏移讯号，其相位偏移量可以表示为+2Φy和+2Φx。
因为第二绕射光921和923分别载有-2Φy和+2Φy的相位偏移讯号，如图2所示，将此一对第二绕射光921和923经由一对反射镜411和413反射后，入射一干涉光学组件，例如一偏振光束分光器(polarizing beamsplitter)501，藉由偏振光束分光器501将上述第一对第二绕射光束921和923叠加形成干涉光941。最后，干涉光941经由光干涉解相技术处理，可获得上述二维相对运动于Y方向的位移量。
相同地，因为第二绕射光922和924分别载有-2Φx和+2Φx的相位偏移讯号，如图2所示，将此一对第二绕射光922和924经由另一对反射镜412和414反射后，入射另一干涉光学组件，例如另一偏振光束分光器502，藉由偏振光束分光器502将上述第二对第二绕射光束922和924叠加形成干涉光942。最后，干涉光942经由光干涉解相技术处理，可获得上述二维相对运动于X方向的位移量。第二实施例图3是概要显示本发明第二实施例的前段光路。参考图3，自一光源201发射一准直的第一入射光，或经由一准直透镜301产生一准直的第一入射光。接着，上述第一入射光901以大体垂直于一绕射单元101，入射上述绕射单元101的一入射部位1011。
如图3所示，于本发明的第二实施例中，绕射单元101是形成于一反射式平面基板10上，具有光栅间距4μm、振辐高度0.2μm的二维弦波绕射光栅。于X-Y座标平面上，绕射单元101具有转换上述第一入射光901的转换函数f(x，y)，其可以表示为f(x，y)＝[exp(i2丌kx)+exp(-i2丌kx)]×[exp(i2丌ky)+exp(-i2丌ky)]其中，K是一行进常数(propagation constant)。
接着，如图3所示，上述第一入射光901经由上述绕射单元101反射并转换后，形成四束同阶的第一绕射光911、912、913、914。此四束第一绕射光911、912、913、914与上述第一入射光901间的夹角皆相等，此夹角为第一绕射角φ，且此等第一绕射光911、912、913、914在X-Y座标平面上的投影分别指向(1，1)、(-1，1)、(-1，-1)、(1，-1)四个方向。当上述绕射单元101和第一入射光901之间，于X-Y座标平面上产生二维相对运动时，由于多普勒频移效应，此等第一绕射光911、912、913、914将分别载有和该二维运动相对位移量相关的相位偏移讯号，其相位偏移量可以分别表示为+Φx+Φy、-Φx+Φy、-Φx-Φy、+Φx-Φy。
接着，参考图3，将此四束第一绕射光911、912、913、914，藉由对应的四组波前重现光学组件41、42、43、44的作用，分别循原光路径折回并再次入射于上述绕射单元101的入射部位1011上。于第二实施例中，四组波前重现光学组件41、42、43、44是分别由准直透镜311、312、313、314和反射镜401、402、403、404所组成。
如图3所示，将准直透镜311、312、313、314的光轴置于上述第一绕射光911、912、913、914的光路径上，反射镜401、402、403、404则垂直于上述准直透镜的光轴，并且将上述入射部位1011与反射镜401、402、403、404的反射部位4011、4021、4031、4041分别置于准直透镜311、312、313、314的第一焦点与第二焦点上，而形成四组共轭光路。
图4是概要显示本发明第二实施例的后段光路。如图4所示，第一绕射光911、912、913、914循原光路径折回并再次入射绕射单元101后，经绕射单元101反射及转换，会形成多束第二绕射光。其中的四束同阶的第二绕射光921、922、923、924与第一入射光901间的夹角皆相等，此夹角为第二绕射光夹角φ’，并且在X-Y座标平面上的投影分别指向+X、+Y、-X、-Y四个方向。
于此第二实施例中，第二绕射光921是同时由第一绕射光912和913经绕射单元101反射及转换后叠加而得。当二维相对运动发生时，由于多普勒频移效应，第二绕射光921中由第一绕射光912经绕射单元101反射及转换后所形成的部分将载有+2Φy的相位偏移讯号，第二绕射光921中由第一绕射光913经绕射单元101反射及转换后所形成的部份将载有-2Φy的相位偏移讯号，亦即第二绕射光921载有由+2Φy的相位偏移讯号和-2Φy的相位偏移讯号叠加所形成的干涉讯号。最后，第二绕射光921经由光干涉解相技术处理，可获得上述二维相对运动于Y方向的位移量。
同理，第二绕射光922是同时由第一绕射光913和914经绕射单元101反射及转换后叠加而得。当二维相对运动发生时，由于多普勒频移效应，第二绕射光922中由第一绕射光913经绕射单元101反射及转换后所形成的部份将载有-2Φx的相位偏移讯号，第二绕射光922中由第一绕射光914经绕射单元101反射及转换后所形成的部份将载有+2Φx的相位偏移讯号，亦即第二绕射光922载有由-2Φx的相位偏移讯号和+2Φx的相位偏移讯号叠加所形成的干涉讯号。最后，第二绕射光922经由光干涉解相技术处理，可获得上述二维相对运动于X方向的位移量。第二绕射光923和924亦可同理类推。
图5是显示绕射单元形成于一平面基底上的概要图式；图6是显示绕射单元形成于一柱面基底上的概要图式；及图7是显示绕射单元形成于一球面基底上的概要图式。如图5至图7所示，于本发明中，上述绕射单元101可形成于一平面10、一柱面20或一球面30的基底上。
图8是显示绕射单元形成于一反射式基底的概要图式；及图9是显示绕射单元形成于一穿透式基底的概要图式。如图8所示，上述绕射单元101是形成于一反射式基底10上；因此，绕射单元101是一反射式绕射单元。如图9所示，上述绕射单元101是形成于一穿透式基底10’上；因此，绕射单元101是一穿透式绕射单元。
图10至图12是概要显示构成波前重现光学组件的各种型式。如图10至图12所示，波前重现光学组件可选自下列所组成族群的一种包含一准直透镜311与一反射镜401的组件41；一渐变折射率透镜(GRIN lens)51，其中此渐变折射率透镜51的一端面51a具有一反射层51b；以及一角隅棱镜(corner cube)61。在共轭光路中，藉由重现光学原理，让一光束循同一光路径在同一点绕射两次，经过两次傅立叶转换后像差产生了自我补偿作用，使第二绕射光的光波波前回复至与第一入射光具有同样特性的平行波前。因此，可以有效提高系统的偏位允许度。
在本发明中，光源201是提供一同调光或部份同调光；其中，上述同调光或部份同调光可以是一线偏振光、一圆偏振光或一椭圆偏振光。
权利要求
1.一种利用共轭光路量测二维位移量的方法，其特征在于，至少包括下列步骤自一光源发射一第一入射光；上述第一入射光入射一绕射单元后，产生多束第一绕射光；选择两束同阶的上述第一绕射光，此两束第一绕射光与上述第一入射光轴对称；藉由波前重现光学组件，将上述的两束第一绕射光分别循原光路径再入射上述绕射单元，而形成两组共轭光路；上述第一绕射光循原光路径再入射上述绕射单元后，产生多束第二绕射光；选择两对同阶的上述第二绕射光，其中第一对第二绕射光与上述第一入射光轴对称，第二对第二绕射光亦与上述第一入射光轴对称；上述第一对第二绕射光藉由一干涉光学组件产生一第一干涉光，第二对第二绕射光藉由另一干涉光学组件产生一第二干涉光以及上述第一与第二干涉光，分别经由光干涉解相技术处理，获得上述绕射单元于二维方向的两个线性独立位移量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述第一入射光是一准直光，且选择自下列所组成族群的一种一线偏振同调光、一圆偏振同调光、一椭圆偏振同调光、一线偏振部分同调光、一圆偏振部分同调光及一椭圆偏振部分同调光。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述光源更包括有一准直透镜。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述第一入射光是以近乎上述绕射单元的法线方向入射上述绕射单元。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是形成于选自下列所组成族群之一的表面上一平面基底、一柱面基底或一球面基底。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是一反射式绕射单元。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是一穿透式绕射单元。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述波前重现光学组件是选择自下列组成族群的一种包括一准直透镜和一反射镜的组件；一渐变折射率透镜，其中上述渐变折射率透镜的一端面具有一反射层；以及一角隅棱镜。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中上述反射镜设置于上述准直透镜的一焦点上，且上述绕射单元设置于上述准直透镜的另一焦点上。
10.一种利用共轭光路量测二维位移量的方法，包括下列步骤自一光源发射一第一入射光；上述第一入射光入射一绕射单元后，产生多束第一绕射光；选择四束同阶的上述第一绕射光，此四束第一绕射光与上述第一入射光轴对称；藉由波前重现光学组件，将上述的四束第一绕射光分别循原光路径再入射上述绕射单元，而形成四组共轭光路；上述第一绕射光循原光路径再入射上述绕射单元后，产生多束第二绕射光；选择至少两束同阶的上述第二绕射光，分别经由光干涉解相技术处理，获得上述绕射单元于二维方向的两个线性独立位移量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，上述第一入射光是一准直光，且选择自下列所组成族群的一种一线偏振同调光、一圆偏振同调光、一椭圆偏振同调光、一线偏振部分同调光、一圆偏振部分同调光及一椭圆偏振部分同调光。
12.如权利要求11的方法，其特征在于，上述光源更包括有一准直透镜。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，上述第一入射光是以近乎上述绕射单元的法线方向入射上述绕射单元。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是形成于选自下列所组成族群之一的表面上一平面基底、一柱面基底及一球面基底。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是一反射式绕射单元。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，上述绕射单元是一穿透式绕射单元。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中上述波前重现光学组件是选择自下列组成族群的一种包含一准直透镜和一反射镜的组件；一渐变折射率透镜，其中上述渐变折射率透镜的一端面具有一反射层；以及一角隅棱镜。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，上述反射镜设置于上述准直透镜的一焦点上，且上述绕射单元设置于上述准直透镜的另一焦点上。
全文摘要
一种利用共轭光路量测二维位移量的方法，包括下列步骤发自一光源的一光束，入射一绕射单元后，产生至少两束第一绕射光；接着，上述第一绕射光经由波前重现光学组件(wavefront reconstruction optics)作用后，循原光路径折回，再入射于上述绕射单元，产生至少两束第二绕射光；接着，上述第二绕射光经由干涉光学组件作用后，产生至少两束干涉光；接着，上述干涉光经由光干涉解相技术处理后，即可获得二维运动中两个线性独立方向上的位移量。
文档编号G01B11/04GK1430043SQ0210011
公开日2003年7月16日 申请日期2002年1月4日 优先权日2002年1月4日
发明者张中柱, 高清芬, 李世光 申请人:财团法人工业技术研究院